近幾年，基于前期對高低壓線路短路、鋰離子電池火災危險性、傳統(tǒng)汽車火災實驗研究，應急管理部天津消防研究所搭建的電動汽車整車燃燒實驗平臺，在國內率先開展電動汽車整車燃燒實驗，初步形成電動汽車整車燃燒實驗方法。

本文通過電動汽車整車燃燒實驗總結在動力鋰離子電池熱失控情況下，整車燃燒過程中的蔓延途徑和火后痕跡特點，以及燃燒過程中溫度、煙氣濃度的變化，為后期開展電動汽車火災深度調查積累數(shù)據(jù)，并供應技術支持。

1實驗設計

本文以加熱觸發(fā)動力鋰離子電池熱失控的電動汽車整車燃燒實驗為例進行研究，電池包內加熱方式如圖1所示，其中，模組內的電池單體測試電芯從1#～6#按順序排列。

其中1#電芯實驗前取出，并由加熱片和非金屬墊塊填充取代，加熱片規(guī)格長寬為145mm×85mm，供電電壓220V，加熱功率500W。

采用對車輛底盤左后部動力鋰離子電池包內的某模組2#電芯進行加熱的方式觸發(fā)動力鋰離子電池熱失控引燃整車，電池單體為三元鋰離子電池，電池的荷電狀態(tài)（SOC）為96%。

2#電芯加熱到泄壓釋放煙氣后，停止加熱。通過2#電芯故障出現(xiàn)的熱量最終引發(fā)電池包起火燃燒，電池包熱失控初期如圖2所示。

2燃燒特點

2.1燃燒現(xiàn)象

開啟加熱開關，加熱10min后電池包內有異響，并開始向外釋放煙氣，在持續(xù)釋放大量煙氣和異響約30min后，煙氣顏色由白色變?yōu)楹谏?，火焰從底盤電池包四周向外噴出，并夾帶大量的細小顆粒物。

火焰沿電池包四周空隙向前部動力機艙和后部輪胎處蔓延燃燒，呈現(xiàn)出車頭與車尾同時燃燒的特點，4個車輪輪輞處均躥出火焰，并燃燒至上方翼子板及附近區(qū)域，如圖3～4所示。

在火災調查過程中發(fā)現(xiàn)，動力鋰離子電池熱失控的電動汽車火災初期通常只是底盤位置有煙氣，隨后有火噴出，最后引起猛烈的燃燒。

2.2溫度變化

本文通過布置熱電偶監(jiān)測火災發(fā)生前后車輛不同部位的溫度變化，從而進一步判斷火災蔓延特點，根據(jù)實驗需求在車輛不同部位共布置16路熱電偶，包括乘員艙內、后尾箱內和車輛底盤部位，具體測溫點位置如表1和圖5所示。

將車輛上的測溫點分為左中右3部分，其中，1，4，8，16測溫點位于車輛的中軸線上，此4個測點為中部區(qū)域，兩側分別為左、右2個區(qū)域測溫點。

實驗中視頻監(jiān)控、溫度記錄、煙氣記錄的時間均統(tǒng)一校對，以實驗場內電子鐘的北京時間為準，15∶01∶00開啟加熱開關，啟動加熱片，實驗開始。15∶10∶42聽到電池包內異響，觀察到電池包向外釋放煙氣，記為第1次熱失控時間；

15∶33∶21觀察到底部電池包第2次向外釋放煙氣，為第2次熱失控時間；

電池包內動力鋰離子電池第3次熱失控時間為15∶39∶31，底部監(jiān)控觀察到電池包熱失控向外冒煙，將此時間點記為0s，記錄此后5min的溫升變化，時間對應曲線如圖6所示。

在150s左右電池包內第4次電池熱失控之后，車輛底盤位置開始出現(xiàn)明火。

第3次熱失控后車輛底盤位置溫升變化曲線如圖7所示，布置在車上的各個熱電偶溫度也開始迅速上升，最先變化的是位于底盤位置電池包底面上（測溫點16）的溫度點，因靠近火源，在第4次熱失控后布置在底盤位置的4個測溫點（13～16）溫度迅速上升，測溫點13與測溫點14是對稱布置，均位于電池包前部的防火墻區(qū)域，測溫點14先于測溫點13出現(xiàn)溫升變化，也進一步驗證早期火勢重要是在底盤區(qū)域沿電池包上方間隙向附近傳遞，起火部位在左側，早期左側區(qū)域的火勢更大。

第3次熱失控后汽車左側區(qū)域部分測點溫升曲線如圖8所示。由圖8可知，左側區(qū)域的溫度變化基本保持一致，在第4次熱失控后的燃燒時間段內溫度達到最高值，車輛底盤附近的測溫點最早開始變化，然后是乘員艙內的測溫點，也可說明火的燃燒途徑是由底盤向前后兩側及乘員艙內蔓延。

電池在第3次熱失控后開始劇烈反應，有明火出現(xiàn)并沿左后區(qū)域的起火部位向四周蔓延，第3次熱失控后乘員艙內溫升曲線如圖9所示。

由圖9可知，乘員艙內布置的5個測溫點可清晰地反映出火災蔓延趨勢，靠近左后部位的測溫點6最早開始出現(xiàn)溫度變化，并與測溫點8，9在較短時間內達到500℃以上，而乘員艙內右側區(qū)域測溫點5，7始終保持在較低溫度范圍，測溫點5為右后座椅坐墊下方，后期燒損完畢進行拆解發(fā)現(xiàn)右側下方基本保持完好，左后區(qū)域則被燒穿。

對布置在車輛中間區(qū)域前中后位置的3路測溫點進行比較分析，溫度變化情況如圖10所示。由圖10可知，電池包前部充電口附近的測溫點16最早升溫，因起火后火勢向前的蔓延速度高于向上部乘員艙內蔓延的速度，待電池包上方的封堵燒穿以后，火勢沿通孔進入乘員艙，位于乘員艙內后部的測溫點4早于測溫點8出現(xiàn)變化，很快便達到800℃以上。

綜上所述，測溫點的溫升變化符合火災由底盤區(qū)域左后部向周圍擴散的趨勢，雖然大部分測溫點呈對稱分布，但溫度變化并不一致，溫升差異較大，這與左側區(qū)域靠近火點位置有關，左后部電池熱失控后火勢向附近區(qū)域蔓延，導致左側區(qū)域的測溫點最早變化，溫度較高，在早期電池包內熱失控后火由電池包上方的間隙向周圍同時蔓延，前后蔓延的速度快于向乘員艙內蔓延的速度。

起火位置位于電池包左后方，整體火勢沿著由后向前，由左向右，由下向上的途徑蔓延。在其他動力鋰離子電池熱失控燃燒實驗中，整車燃燒也呈現(xiàn)出同樣的燃燒特點，只是由于電池包的布置形式和起火點的不同存在少許差異。

電池包位于底盤的車輛均會呈現(xiàn)由底部電池包向前后兩側蔓延的特點。而且電池包熱失控起火后燃燒迅猛，荷電狀態(tài)越高反應越劇烈，本文實驗電池熱失控后火焰噴射距離達到3m以上，在消防救援及人員逃生時需注意保持安全距離。

2.3煙氣變化

在乘員艙駕駛位的頭枕處安裝煙氣傳感器，用來監(jiān)測燃燒過程中CO濃度變化。乘員艙底板的通孔或是其他工藝孔等空隙會有煙氣和火焰進入，電池包第1次向外釋放煙氣的時間是15∶10∶42，約20min的第2次熱失控釋放了大量的氣體，此時乘員艙內的煙氣傳感器開始探測到少量的CO，以第3次熱失控的時間開始計時，記錄車內煙氣濃度變化。乘員艙內CO濃度變化曲線如圖11所示。

由圖11可知，在第3次熱失控前只有少量的煙氣進入乘員艙，不足以對乘員造成傷害，第3次熱失控以后，2min內車內的煙氣濃度便達到2000ppm以上?？梢酝ㄟ^乘員艙內布置的監(jiān)控發(fā)現(xiàn)有大量煙氣從底板位置涌入，如圖12所示。此實驗驗證只要乘員艙內封堵良好，可盡量減少煙氣侵入，從而為乘員獲得更多的逃生時間。

3痕跡特點

相有關傳統(tǒng)的燃油車輛，電動汽車由于其特殊的構造，動力鋰離子電池熱失控導致的電動汽車火災形成特有的燃燒痕跡，重要體現(xiàn)在整車燒損痕跡和電池包及內部單體的燒損變形痕跡。

3.1整車燃燒痕跡特點

電動汽車的動力鋰離子電池包大部分位于底盤位置，電池熱失控后火焰沿底盤電池包上方的空隙向四周蔓延，在底盤附近區(qū)域形成長時間穩(wěn)定燃燒，大部分燒損過后的車輛會呈現(xiàn)出前部動力機艙和后部車輪附近區(qū)域2個燒損嚴重的部位。

看似2個獨立的起火部位，假如在傳統(tǒng)燃油汽車火災調查中可作為放火火災認定的參考依據(jù)，由于電動汽車的重要火源及可燃物位于底盤位置，形成與傳統(tǒng)燃油車輛火災痕跡最大的不同點。

電動汽車火災調查過程中需將車輛升起，觀察底盤附近的燒損痕跡。電池包附近尤其是火焰蔓延通道上的燒損程度重于周圍區(qū)域。

就整車而言，前后車輪、動力機艙、乘員艙內部均會呈現(xiàn)不同程度的燒損，但由于底部電池包燒損時間長、燃燒熱值高，會形成局部高溫受熱的痕跡，類似于傳統(tǒng)燃油汽車油箱附近起火燃燒的痕跡特點，如圖13所示。

而電池包上方假如有通孔，火災容易蔓延至乘員艙內，如后排座椅下方有預留孔，則一般呈現(xiàn)后排座椅附近燒損嚴重的痕跡。

3.2電池包及內部痕跡特點

電動汽車火災調查的第1步可根據(jù)整車燃燒痕跡來鎖定起火部位，有關動力鋰離子電池包內單體電池熱失控引發(fā)的火災，由整車燒損痕跡可較快鎖定為電池包部位。

電池包外殼如為鐵質殼體，易出現(xiàn)局部銹蝕變色嚴重，甚至鐵皮焊縫開裂，局部鼓起的現(xiàn)象；電池包外殼如為鋁合金殼體，易出現(xiàn)局部熔融變形，甚至局部燒蝕形成孔洞；電池包外殼如為非金屬殼體，過火后外殼易燒破，部分缺失。

有關電池包內的起火點或是第1故障單體，則要進一步拆解分析電池包并觀察內部單體的痕跡變化進行確定。由于柱狀電池的結構特點，火后單體破壞變形程度較大，不易于辨識，而片狀電池單體結構形態(tài)保持相對完整，具有一定的痕跡特點。

電池包的燒損可根據(jù)外殼的銹蝕變色程度和缺失程度來尋找出最先起火區(qū)域，鎖定出起火點附近的模組，電池包的整體燒損痕跡如圖14所示。

模組間的變形與單體的變形一般呈現(xiàn)向早期熱失控模組或單體擠壓變形的痕跡，如圖15所示。模組內有9節(jié)單體，從1～9號依次排列，單體6為早期故障單體，附近單體均會呈現(xiàn)向此單體擠壓變形的痕跡。

4結論

1）動力鋰離子電池熱失控后，車輛底盤位置的電池包首先有煙氣生成，煙氣濃度逐漸增大，顏色由白色變?yōu)楹谏覞舛容^高時開始有火焰噴出，在由加熱觸發(fā)的電動汽車火災中，從最早的單體熱失控到起火燃燒有一定的間隔時間。

火焰沿電池包上方的間隙向四周蔓延，向前后蔓延速度快于向乘員艙內的蔓延速度，火焰噴射距離根據(jù)電池類型不同而有差異，荷電狀態(tài)越高反應越猛烈，一般可達到2m以上的距離。

2）電池包附近的溫度在熱失控起火后3min便達到600℃以上，而電池包內的溫度可以達到1000℃以上，越靠近電池包熱失控單體的車身部位溫度越高。

3）電動汽車的電池包熱失控后，煙氣會通過底板處的空隙向乘員艙內部蔓延，一旦封堵被燒破，車內CO等有毒氣體的濃度在短時間內便達到致命濃度。

4）動力鋰離子電池熱失控導致的整車燒損痕跡呈現(xiàn)兩頭重、中間輕的燒損特點，這與車輛的電池包布置位置和火焰蔓延途徑有關。電池包的燒損程度根據(jù)電池包殼體的變形、變色程度和缺失程度來判斷，電池模組和單體的形狀變化呈現(xiàn)向早期故障模組或單體擠壓變形的痕跡。

5）電動汽車后臺數(shù)據(jù)中的某些關鍵信息會在熱失控及火災前后發(fā)生變化，通過事故案例可以發(fā)現(xiàn)，動力鋰離子電池熱失控前單體電壓會有不同程度的下降，失控單體附近的測溫點溫度會在失控后一段時間內有明顯上升，而其他監(jiān)控信息如絕緣電阻數(shù)值、電壓差等數(shù)值均會根據(jù)故障情況呈現(xiàn)出突變和下降特點。

在今后的整車燃燒實驗中需進一步監(jiān)測起火前后車輛的荷電狀態(tài)、單體電壓、電流、電池包內溫度、絕緣電阻等參數(shù)變化，進一步總結變化規(guī)律，用于輔助判斷起火點和起火原因。（來源：電動學堂）